水力模型在城市排水系统设计与管理中的应用研究

摘要

计算机技术的发展推动了排水系统水力模型软件的开发和应用，而水力模型软件的推广应用又促进了传统排水系统设计理念的革新。利用排水管网计算机水力模型辅助城市排水系统的设计、改造和管理是提升一个城市市政基础设施建设和管理的有效途径。模型的辅助不但提高了排水系统管理的效率，改善了系统运行状况，还为排水安全提供了保障。为此，本文利用InfoWorks CS水力模型软件，对上海市现有排水系统的改造管理以及新型排水系统的水力模型辅助设计进行了研究，从实践层面为上海市及其他城市的排水系统设计管理提供指导和支持。 雨水系统的非雨水入流问题是严重影响国内排水系统运行效率的一个顽疾。掌握非雨水入流的流量和规律对排水系统改造完善的规划与设计具有重要意义。为此，本文首先提出了雨水系统非雨水入流的模型分析方法，并成功地应用于B系统。该方法以当量连接管为基础，通过分析诊断混接状况、计算当量连接管特性参数、利用模型校准并验证特性参数三个步骤计算混接水量、考察混接特性。模型分析方法在B系统非雨水入流状况诊断中的应用表明，该系统不但接纳部分生活污水，还与服务区内的污水系统和苏州河存在水力联系；B雨水系统所在地区非雨水入流相当严重，雨水系统每天接纳的污水约为2.4万m3，其中约1.7万m3排向苏州河，0.7万m3通过市政混接管道排入污水系统。混接率高达60％。雨水系统在非降雨日开泵后，水位在9—11个小时内便回升至与苏州河持平水位，主要是系统接纳混接污水和苏州河水的倒灌引起的，两者所占比例分别50％和45％。 截流式雨水系统不但可以控制旱流混接污水的直接排放，而且可以有效削减雨水径流面源污染，因此在国内大中城市得到了推广应用。本文以曹杨排水系统为案例进行长期模拟，研究并讨论截流规模、调蓄池容积的大小对雨水径流水量控制效果的影响，并结合雨水系统排江的初期效应对截流和调蓄设施长期的污染负荷去除效果进行考察。研究结果表明，对于与外围水体不存在水力联系或水力联系较弱的系统，通过加大截流流量、降低系统常水位可使得雨水径流截流效率大幅提高；调蓄规模的增大能有效提高系统对雨水径流的截流效率，而由于过大的调蓄池无法发挥完全的效能，因而随着调蓄池的增大，截流效率的提高幅度总体有呈下降的趋势；由于存在混接现象的雨水系统初期效应比较微弱，污染负荷长期去除率平均值与径流水量截流效率基本一致。 在由多个子排水系统组成的片区排水系统泵站群的调度管理方面，本文通过确定最优化目标、明确约束条件，建立了片区排水系统泵站群统一优化调度的方法，对泵站群的统一优化调度进行了初步研究。通过案例分析表明，采用优化调度方法不仅有助于充分利用片区排水系统管道的存储容积，减小CSO的排放，同时也保证了各个子系统的排水安全性。通过模型计算，比较采用统一优化调度方案与根据泵站前池水位的简单控制(开泵水位：各子系统安全水位；关泵水位：0m)后发现，采用统一优化调度方案对1年一遇降雨高水位运行工况CSO排放减小约35％，而0.33年一遇低水位运行时减少约55％。 缓冲式排水模式是一种将城市排水与圩区排涝有机结合的接近自然的排水方式，符合人与自然和谐相处的发展方向。本文以上海市JW地区为例，通过建立缓冲式排水模式管道、河网耦合水力模型，在运用推理公式法初步确定管道系统设计参数的基础上，通过模型试验对缓冲式排水模式管道系统的设计、适用性进行了分析探讨。同时，通过改变圩区特征参数在两种典型工况下对模型试验管道进行模拟试验，得出了缓冲式排水系统的适用条件，并以洪灾频率为指标对缓冲式排水系统的安全性进行了评价。相关工作为不同水文条件圩区的缓冲式排水模式的设计和安全评价提供了新的方法。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1概述

1.2国内外研究现状

1.2.1排水系统水力模型的发展

1.2.2入流和入渗(Infiltration/Inflow)的调查和诊断

1.2.3初期雨水面源污染控制研究

1.2.4排水系统调度管理

第2章课题研究背景、内容和方法

2.1研究背景

2.2研究内容和方法

2.3论文结构安排

第3章分流制雨水系统非雨水入流水量的模型研究

3.1概述

3.2方法的提出

3.3案例分析和讨论

3.3.1 B系统简介

3.3.2流量调查

3.3.3系统分析与诊断

3.3.4混接流量的推求

3.3.5水力模型的建立和验证

3.4本章小结

第4章旱流截污雨水系统径流污染控制措施的效率研究

4.1概述

4.2案例介绍

4.2.1系统概况

4.2.2流量分析

4.3模型的建立及验证

4.3.1模型的建立

4.3.2模型的验证

4.4降雨数据的选取

4.5结果与讨论

4.5.1增大截流规模

4.5.2增设调蓄池

4.5.3污染负荷控制效果

4.6本章小结

第5章排水系统运行调度方案优化

5.1概述

5.2研究内容与目的

5.3统一优化调度

5.3.1优化目标

5.3.2约束条件

5.3.3优化调度的实现方法

5.3.4优化调度的程序实现

5.4算例

5.4.1计算条件设置

5.4.2 f函数的推求

5.4.3计算结果

5.5本章小结

第6章缓冲式排水模式设计及应用条件研究

6.1概述

6.2方法的提出

6.3模型试验

6.3.1案例介绍

6.3.2现场流量调查

6.3.3.耦合模型的建立

6.3.4.试验条件及评价标准

6.4结果与讨论

6.4.1 JW地区缓冲式排水系统研究

6.4.2不同圩区缓冲式排水系统的设计

6.5本章小结

第7章结论与建议

致谢

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果